TL;DR

Чому питомий опір ґрунту – це перше число, яке вам потрібно

Перш ніж визначати діаметр заземлювального стрижня, вибирати між сталлю з мідним покриттям та оцинкованою сталлю, а також розраховувати, скільки стрижнів потрібно для майданчика підстанції, вам потрібно одне число: питомий опір ґрунту на місці встановлення. Кожне рішення щодо проектування нижче за течією залежить від цього вимірювання.

У Shibang наша інженерна команда перевіряє специфікації заземлення з проектів на шести континентах. Найпоширенішим джерелом польових проблем, з якими ми стикаємося, є не дефектний стрижень чи погане з'єднання. Це система заземлення, яка була розроблена без належного дослідження опору ґрунту. Інженери, які пропускають цей крок, зрештою переробляють установки, додають додаткові стрижні або вносять корективи в ґрунт через місяці після початкової дати введення в експлуатацію.

Питомий опір ґрунту показує, наскільки сильно земля на вашій ділянці протистоїть потоку електричного струму. Піщана, суха вершина пагорба в центральній Австралії може зареєструвати опір 2000 Ом-метрів. Багатої на глину річкової дельти в Бангладеш може зареєструвати опір 30 Ом-метрів. Та сама модель заземлювального стрижня з мідним покриттям поводиться зовсім по-різному в цих двох середовищах, і конструкція повинна враховувати цю різницю з самого початку.

Органи стандартизації визнають це.Кодекси та стандарти NFPAСтандарти IEC 62305 та IEEE 80, а також стандарти IEC 62305 та IEEE 80, вимагають або наполегливо рекомендують дані про питомий опір ґрунту для конкретного місця розташування, перш ніж розпочати проектування системи заземлення. Ви можете дізнатися більше про основи...системи заземленняі якземля (електрика)працює в галузі електротехніки, щоб зрозуміти, чому це вимірювання керує всім.

Що насправді вимірює питомий опір ґрунту

Питомий опір ґрунту кількісно визначає опір, який одиниця об'єму ґрунту чинить протіканню електричного струму. Інженери виражають його в омметрах (ом·м). Це число залежить від чотирьох основних факторів:

Вміст вологи.Вода значно знижує питомий опір. Показники сухого ґрунту можуть становити понад 1000 Ом·м; той самий ґрунт при польових умовах може опуститися нижче 100 Ом·м. Ось чому важливі сезонні випробування, і саме тому ми рекомендуємо проводити вимірювання в найсухіші очікувані умови, щоб розрахувати запас на найгірший випадок у системі.

Концентрація іонів.Розчинені солі в ґрунтовій воді підвищують провідність. Прибережні ділянки, сільськогосподарські угіддя з історією внесення добрив та пустельні солончаки мають нижчі показники питомого опору, ніж чистий кварцовий пісок. Наші виробничі дані показують, що клієнти на Близькому Сході та в Північній Африці часто мають справу з піщаними ґрунтами з високим опором, які потребують хімічного удобрення.

Температура.Питомий опір зростає з охолодженням ґрунту. Замерзлий ґрунт може підвищити питомий опір у десять і більше разів порівняно з тим самим ґрунтом за температури 20 градусів Цельсія. Проекти на півночі Канади, Скандинавії чи Росії повинні враховувати глибину промерзання та розміщувати заземлювальні стрижні нижче неї.

Склад і щільність ґрунту.Частинки глини проводять струм краще, ніж пісок чи гравій, оскільки вони утримують вологу та іони на своїй великій площі поверхні. Камені, сланець та розкладений граніт сильно відрізняються. Ділянка з шаруватою геологією показуватиме різний питомий опір на різній глибині, тому профілювання глибинного опору має таке ж значення, як і вимірювання поверхні.

Чотириточковий тест Веннера: як інженери вимірюють питомий опір ґрунту в польових умовах

Чотириточковий метод Веннера залишається галузевим стандартом польових випробувань опору ґрунту. Він простий, портативний і дає результати, які безпосередньо враховуються в розрахунках заземлення. TestGuy надає чудовий посібник з цього...Пояснення випробувань опору ґрунтуу практичних деталях.

Наші польові інженери дотримуються цієї процедури під час кожного нового обстеження об'єкта:

Крок 1: Макет.Вбийте чотири електроди, розташовані на однаковій відстані один від одного, в землю по прямій лінії. Позначте їх C1, P1, P2 та C2 зліва направо. Відстань між кожною сусідньою парою дорівнює «a», і ви обираєте її залежно від глибини ґрунту, яку хочете дослідити. Відстань 1 метр дає вам питомий опір, усереднений приблизно на верхніх 0,5 метрах. Відстань 10 метрів дозволяє досліджувати глибини приблизно до 5 метрів.

Крок 2: Подайте струм.Підключіть тестер опору заземлення (наприклад, серії Megger DET або Fluke 1621) до зовнішніх електродів (C1 та C2). Прилад впорскує відомий змінний струм через ґрунт між ними.

Крок 3: Виміряйте потенціал.Прилад вимірює різницю напруги між внутрішніми електродами (P1 та P2). Це падіння напруги, поділене на введений струм, дає значення опору R.

Крок 4: Обчисліть.Застосуйте формулу Веннера:

Питомий опір (rho) = 2 x π xax R

де «a» – відстань між електродами в метрах, а R – виміряний опір в омах. Результатом є питомий опір ґрунту в ом·м.

Глибинне профілювання.Повторіть випробування на кількох відстанях (1 м, 2 м, 5 м, 10 м, 20 м), щоб побудувати профіль залежності питомого опору від глибини. Цей профіль показує, чи існує провідний шар глибше під землею, що може виправдати заглиблення стрижнів на глибину 3 метри замість стандартних 2,4 метра.

Коли проводити тестування.Ми вказуємо, що випробування мають проводитися за найсухіших очікуваних сезонних умов, оскільки системи заземлення повинні працювати цілий рік. Випробування лише протягом вологого сезону дають оптимістичні цифри, які не відображають найгірших літніх чи посушливих умов.

Нафтохімічний завод у Східній провінції Саудівської Аравії виміряв питомий опір поверхні ґрунту на рівні 1800 Ом·м протягом сухого сезону. Після того, як наша технічна команда вказала три 3-метрові мідні стрижні (AF-0232, шар міді 0,254 мм), вбиті на глибину 5 метрів з відстанню 6 метрів, виміряний опір землі знизився до 3,8 Ом — значно нижче цільового показника 5 Ом, встановленого стандартом IEC 62305 для блискавкозахисту резервуарів для зберігання.

Як питомий опір ґрунту впливає на вибір заземлювального стрижня

Отримавши дані про питомий опір ґрунту, ви можете впевнено вибрати правильний заземлювальний стрижень. Число питомого опору говорить вам про три речі: який матеріал найдовше протистоятиме корозії в цьому ґрунті, яка геометрія стрижня (діаметр і довжина) вам потрібна, і чи один стрижень досягне потрібного опору заземлення, чи вам потрібно кілька стрижнів у масиві.

Ось загальна структура, яку ми використовуємо в Shibang під час консультування клієнтів:

Ця таблиця є відправною точкою, а не заміною детального проектування. Інженер також повинен враховувати pH ґрунту, вміст хлоридів, рівень сульфатів та коливання вологості, щоб зробити остаточний вибір матеріалу. Ми детальніше розглянемо підбір матеріалів у наступному розділі.

Нашмідний заземлювальний стриженьАсортимент (модель AF-0232) охоплює діаметри від 14,2 мм до 25 мм (від 5/8 дюйма до 3/4 дюйма) та довжину від 1,2 м до 3,0 м (від 4 футів до 10 футів). Мідний шар має товщину щонайменше 0,254 мм і чистоту 99,95% або вище, з'єднаний з низьковуглецевою сталевою серцевиною. Це забезпечує стрижню високу міцність на розрив (щонайменше 580 Н/мм) для забивання, зберігаючи при цьому корозійну стійкість міді в більшості типів ґрунтів. Ми сертифікуємо цю лінійку продуктів за стандартом ISO 9001:2008.

На початку 2023 року інженер-проектувальник підстанції 132 кВ у Тамілнаді вказав на використання оцинкованих стрижнів для зменшення ваги під час закупівлі для віддаленого місця на вершині пагорба. Коли наша команда переглянула звіт про ґрунт — латеритний ґрунт, pH 4,8, питомий опір 280 Ом·м на глибині 3 метри — ми порадили перейти на мідні стрижні, незважаючи на вищу вагу на одиницю. Обґрунтування: низький pH латериту та високий вміст оксиду заліза прискорюють корозію цинку, а віддалене розташування робить логістику заміни стрижнів у майбутньому дорогою. Інженер прийняв рекомендацію. Через два роки після встановлення показники опору заземлення залишаються стабільними на рівні 1,6 Ом.

Підбір матеріалу заземлювального стрижня до ґрунтових умов

Виробники заземлювальних стрижнів пропонують кілька варіантів матеріалів, і кожен з них підходить для певного набору ґрунтових умов. Ось як ми їх підбираємо:

Мідні сталеві стрижні

Мідні стрижні поєднують сталевий сердечник (для механічної міцності та довговічності) з товстим мідним зовнішнім шаром (для стійкості до корозії та низького контактного опору з ґрунтом). Нашімідний заземлювальний стриженьУ моделях використовується процес безперервного з'єднання міді, а не тонке покриття. Це важливо в агресивних ґрунтах, де шар покриття або зварювання міді може з часом розшаровуватися.

Мідні стрижні найкраще працюють у нейтрально-лужних ґрунтах (pH від 6 до 9) з помірною вологістю. Вони стійкі до корозії, спричиненої більшістю хімічних складів ґрунту, та зберігають стабільний опір заземлення протягом десятиліть. Ми специфікуємо їх для електростанцій, підстанцій, опор ліній електропередач, базових станцій зв'язку, аеропортів, залізниць, висотних будівель та нафтопереробних заводів. Термін служби перевищує 50 років за нормальних ґрунтових умов.

Оцинковані сталеві прутки

Ми встановлюємо нижчі ціни на оцинковані (покриті цинком) стрижні, ніж на мідні, і вони забезпечують прийнятний захист від корозії в лужних ґрунтах. Однак наші виробничі та польові дані показують, що цинк розчиняється швидше, ніж мідь, у кислих ґрунтах (pH нижче 5) та в ґрунтах з високим вмістом сульфатів. Ми задокументували численні випадки, коли оцинковані стрижні в агресивному ґрунті виходили з ладу задовго до очікуваного терміну служби, тому ми радимо клієнтам у тропічних регіонах або регіонах, що уражаються кислотними дощами, вибирати мідні стрижні замість оцинкованих для будь-якого проекту з розрахунковим терміном служби 25 років або довше.

Наші гарантійні записи щодо відвантаження 2019 року на прибережну ділянку на півдні В'єтнаму показують, що оцинковані стрижні, встановлені в ґрунті з pH 5,2 та питомим опором 120 Ом·м, почали демонструвати видиму поверхневу корозію протягом 18 місяців. Цинкове покриття стоншилося з заданих 86 мікрон до менш ніж 40 мікрон на межі розділу ґрунт-повітря. Ми замінили всю установку з 240 стрижнів на мідні за наш рахунок за гарантією, і замінені стрижні вже експлуатуються понад п'ять років без помітної деградації.

Електроди хімічного заземлення

Коли питомий опір ґрунту залишається вище 500 Ом·м навіть на глибині, один лише голий стрижень не може досягти цільових значень опору.Хімічні заземлювальні електродизаповнити цю прогалину. Ці пристрої містять порожнисту мідну трубку, заповнену мінеральними солями, які повільно вимиваються в навколишній ґрунт, знижуючи місцевий опір протягом місяців і років. Вони зберігають свою працездатність у посушливих і кам'янистих середовищах, де природна волога обмежена.

Ми постачаємо хімічні електроди для проектів на Близькому Сході, у Північній Африці та Центральній Австралії. Під час типової установки технік бурить свердловину, вставляє електрод, засипає його струмопровідним компаундом і підключає до основної заземлювальної сітки. З часом дифузія солі створює навколо електрода оболонку з низьким опором.

Наземні модулі

Наземні модуліпропонують інший підхід для складних ґрунтів. Ці попередньо виготовлені блоки поєднують металевий провідник з навколишнім корпусом з провідного матеріалу (часто це сполука на основі вуглецю або глини). Інженери закопують їх у стратегічних точках заземлювальної сітки, щоб зменшити місцевий опір без необхідності обслуговування, яке іноді потребують хімічні електроди.

Наземні модулі добре працюють у змішаних ґрунтових профілях, де існує провідний шар, але він занадто неглибокий для звичайного встановлення стрижнів. Ми постачали наземні модулі на релейні станції на вершинах гір в Андах, пустельні радарні установки в Омані та прибережні підстанції вітрових електростанцій у В'єтнамі.

Переглянути всі варіанти

Наш повнийзаземлювальний стрижень та категорія заземлювальних стрижнівохоплює мідні, оцинковані, нержавіючі сталеві та спеціальні конфігурації. Правильний вибір залежить від вашого звіту про хімічний склад ґрунту, цільового опору та очікуваного терміну служби установки.

Глибина встановлення, діаметр стрижня та правило кількох стрижнів

Дані про питомий опір ґрунту також визначають три фізичні параметри проектування: глибину забивання стрижня, діаметр використання та кількість стрижнів встановлення.

Глибина

Глибші стрижні досягають шарів ґрунту, які утримують більше вологи та мають нижчий питомий опір. Стандартна житлова установка може використовувати стрижень довжиною 2,4 метра (8 футів). Заземлювальна сітка підстанції часто вимагає стрижні довжиною 3 метри (10 футів). У регіонах з високим питомим опором інженери іноді встановлюють стрижні на довжину 6 метрів або більше, з'єднуючи кілька секцій разом.

Наші мідні стрижні мають з'єднувальну муфту, яка дозволяє з'єднувати секції на місці. 3-метровий стрижень з подовженням 1,5 метра досягає 4,5 метрів. Муфта підтримує специфікацію прямолінійності (похибка 1 мм/м або менше) через з'єднання, тому стрижень не вигинається під час забивання.

Діаметр

Діаметр заземлювального стрижня впливає як на механічну міцність під час встановлення, так і на довгостроковий термін служби від корозії. Стрижень діаметром 14,2 мм (5/8 дюйма) підходить для більшості житлових та легких комерційних установок, де за допомогою шуруповерта або перфоратора виконується занурення. Стрижень діаметром 25 мм (3/4 дюйма) витримує вищі механічні навантаження від глибокого забивання в ущільнений або кам'янистий ґрунт і забезпечує більшу площу поверхні міді для захисту від корозії.

Наші виробничі дані показують, що стрижні діаметром 5/8 дюйма становлять більшу частину обсягу в проектах помірного клімату (Північна Америка, Європа, Східна Азія), тоді як стрижні діаметром 3/4 дюйма користуються більшим попитом у проектах Близького Сходу та Австралії, де поширене глибше занурення в твердіші ґрунти.

Багатострижневі масиви

Коли один стрижень не може досягти цільового опору заземлення, потрібно додавати стрижні. Загальне правило: відстань між сусідніми стрижнями має дорівнювати глибині їхнього занурення. Для 3-метрових стрижнів використовуйте відстань щонайменше 3 метри. Ця відстань запобігає надмірному перекриттю зон зниження опору навколо кожного стрижня.

Сумарний опір багатострижневого масиву – це не просто опір одного стрижня, поділений на кількість стрижнів. Взаємодія ґрунту з ґрунтом знижує ефективність. Двострижневий масив досягає приблизно 60% опору одного стрижня, а не 50%. Тристрижневий масив досягає приблизно 45-50%. Це приблизні цифри; фактичне співвідношення залежить від однорідності питомого опору ґрунту та відстані між стрижнями.

Сім дефектів заземлення, які виявляє наша заводська лабораторія у повернутих технічних характеристиках

Після понад 17 років виробництва заземлювальних виробів та підтримки проектів по всьому світу, наша команда каталогізувала повторювані дефекти специфікацій та монтажу, які проявляються в гарантійних розслідуваннях та аналізі проектів після їх завершення в різних країнах та галузях промисловості. Сім помилок, наведених нижче, пояснюють більшість передчасних вихідних ладу стрижнів з ладу та низькоякісних показників опору заземлення, з якими ми стикаємося:

Пропускання дослідження питомого опору ґрунту.Інженери іноді за замовчуванням використовують підручникові значення ґрунту для регіону, замість того, щоб перевіряти фактичну ділянку. Навіть у межах однієї ділянки питомий опір може відрізнятися в п'ять разів між північним і південним кінцями через особливості дренажу, історію засипання або глибину корінних порід.

Тестування лише на одній глибині.Один тест Веннера на одному інтервалі майже нічого не говорить про шаруватий профіль під землею. Завжди тестуйте щонайменше на трьох інтервалах, щоб визначити провідні шари, резистивні шари та перехід між ними.

Ігнорування сезонних коливань.Тестування лише під час сезону дощів дає хибні результати. Системи заземлення повинні працювати в найсухіших, найспекотніших та найхолодніших умовах, які будуть працювати на ділянці. Ми радимо клієнтам проводити тестування принаймні двічі: один раз під час вологого сезону та один раз під час сухого сезону.

Недостатньо визначений діаметр стрижня.Використання найменшого доступного стрижня для мінімізації ваги матеріалу може здаватися розумним на папері, але у твердому або кам'янистому ґрунті тонкий стрижень згинається, деформується або ламається під час забивання. Це призводить до втрати часу на встановлення та робить систему недостатньо спроектованою. Ми використовуємо стрижні діаметром 3/4 дюйма (25 мм) для будь-якого майданчика зі кам'янистими або ущільненими умовами.

Забувши про зчеплення.Коли інженерам потрібна глибина стрижня 4,5 метра або 6 метрів, вони іноді намагаються зварити дві секції стрижня разом. Зварювання руйнує мідний шар у місці з'єднання, створюючи корозійну точку, яка виходить з ладу протягом багатьох років. Завжди використовуйте спеціально розроблене механічне з'єднання, яке зберігає цілісність мідної оболонки.

Нехтування якістю з'єднання.Найкращий заземлювальний стрижень у світі марний, якщо з'єднання з провідником нещільне, кородоване або виготовлене з несумісних металів. Мідні з'єднання з екзотермічними зварними швами або перелічені механічні з'єднувачі зберігають довготривалу цілісність. Змішування мідних стрижнів з оцинкованими затискачами у вологому середовищі створює гальванічну корозійну корозійну клітину, яка з часом руйнує з'єднання.

Не читання хімічного складу ґрунту.Сам по собі питомий опір не є показником корозії. Ґрунт із помірним питомим опором (300 Ом·м), але високим вмістом сульфатів та низьким pH, буде атакувати мідь швидше, ніж очікувалося. Завжди поєднуйте вимірювання питомого опору з аналізом хімії ґрунту (pH, хлориди, сульфати, вміст вологи), щоб правильно вибрати матеріал стрижня.

Наша лабораторія якості в Сіньчані проводить випробування в сольовому тумані (ASTM B117) на кожній новій виробничій партії мідних стрижнів. В останніх 47 партіях (N=47, що представляють приблизно 235 000 окремих стрижнів) середня товщина мідного шару становила 0,268 мм зі стандартним відхиленням 0,012 мм. Жодна партія не мала товщини нижче мінімуму 0,254 мм. Тривалість корозійних випробувань становить 1000 годин, і жодна партія не показала впливу основного металу протягом цього вікна.

Часті запитання

Щоб ознайомитися з повним асортиментом заземлювальної продукції, що виробляється на нашому підприємстві, відвідайте нашзаземлювальний стрижень та категорія заземлювальних стрижнівсторінка. Ви також можете прочитати прощо таке заземлення і чому воно важливез ширших галузевих ресурсів.